动态无功补偿器控制系统软件设计--毕业设计(论文)

大学毕业设计（论文）动态无功补偿器的控制系统软件设计
学院（系）：自动化
专业班级：
学生姓名：
指导教师：教授
摘要
随着社会的飞速发展，工业现场中大量冲击负荷以及感性性负荷接入电网，工业环境越加复杂。

这些冲击负载和感性负载大量地消耗电网无功功率，从而拉低功率因数，造成电网电压的波动，电网的安全且正常运行受到了巨大的挑战。

于此同时负载不断地变化使固定无功补偿的传统方法完全没有办法满足现代工业环境的需要。

所以，设计具有动态调节功能的无功补偿装置对于现代工业生产具有重要的实践意义；而设计动态无功补偿器控制系统的软件，就可以更加方便的完成对于现代工业的进一步发展。

本文大致可看成以下几个部分：
（1）完成了动态无功补偿装置的总体方案设计。

在分析对比传统静止无功补偿装置的优缺点后，构建了一种动态无功补偿装置拓扑结构。

并根据动态无功补偿装置的拓扑结构，设计了其控制系统方案以及主电路、操作回路电路等。

（2）动态无功补偿器的拓扑结构。

（3）完成了动态无功补偿装置的控制系统软件设计。

本章进行动态无功补偿装置的控制系统软件设计，其中主要包括PLC程序设计和显示设备监控程序设计这两部分。

通过PLC程序进行调节，然后通过显示设备将参数和各类数据直观地体现出来。

本课题重点在于设计一种动态无功补偿装置的软件，该软件能实时分析计算电网无功需求，并根据实际情况得出数据使得无功补偿装置发出无功功率的大小，使得该装置具有就地动态无功补偿的功能，稳定电压，提高电网的功率因数，使得电网稳定安全的运行。

关键词：阻抗变化；无功补偿；动态；软件
Abstract
With the rapid development of society, a large number of industrial impact load and sensory load access to the power grid, the industrial environment more complex. These shock loads and inductive loads consume a large amount of reactive power in the grid, thus driving down the power factor, resulting in grid voltage fluctuations, the safety and normal operation of the grid has been a huge challenge. At the same time, the constant load changes make the traditional method of fixed reactive power compensation no way to meet the needs of modern industrial environment. Therefore, the design of dynamic adjustment function of the reactive power compensation device for the modern industrial production has important practical significance; and the design of dynamic reactive power compensation control system software, you can more easily complete the further development of modern industry.
This thesis can be regarded as the following parts:
Completed the dynamic reactive power compensation device overall program design. After analyzing the advantages and disadvantages of the traditional static reactive power compensation device, a dynamic reactive power compensation device topology is constructed. According to the topology of dynamic reactive power compensation device, the control system and the main circuit and operation circuit are designed.
Topological structure of dynamic reactive compensator.
Completed the dynamic reactive power compensation device control system software design. This chapter carries on the dynamic system of the software design of the dynamic reactive power compensation device, which mainly includes two parts: PLC program design and display device monitoring program design. Through the PLC program to adjust, and then through the display device parameters and various types of data intuitively reflected.
This thesis focuses on the design of a reactive power compensation device based on IGBT dynamic software, the software can real-time analysis and calculation of reactive power demand, and according to the actual situation of the data so that the reactive power compensation device by the size of the reactive power, so that the device has a local dynamic reactive power compensation function, voltage stability, improve power the power factor of the grid, the stable and safe operation.
Key words: Impedance change；Reactive power compensation；Software；Dynamic
目录
第1章绪论 (1)
1.1研究目的及意义 (1)
1.2相关技术国内外研究的现状 (1)
1.3本文主要研究内容 (2)
第2章动态无功补偿器的拓扑结构 (3)
2.1晶闸管投切电容器式动态无功补偿器拓扑结构 (3)
2.2晶闸管控制电抗器+机械式投切电容式无功补偿装置拓扑结构 (3)
2.3动态无功补偿装置的拓扑结构 (5)
2.4本章小结 (6)
第3章动态无功补偿器总体方案设计 (7)
3.1动态无功补偿装置的设计要求 (7)
3.2主电路及操作回路电路设计 (7)
3.2.1动态无功补偿装置主电路设计 (7)
3.2.2动态无功补偿装置操作回路电路设计 (9)
3.3本章小结 (11)
第4章动态无功补偿装置的控制系统软件设计 (12)
4.1 动态无功补偿装置PLC程序设计 (12)
4.1.1 PLC程序结构图 (12)
4.1.2 PLC主程序设计 (14)
4.1.3 PLC子程序设计 (14)
4.2动态无功补偿装置监控系统软件设计 (19)
4.2.1 MCGS嵌入版组态软件结构 (20)
4.2.2 MCGS组态软件用户窗口设计 (20)
4.3本章小结 (23)
第5章总结与体会 (24)
参考文献 (25)
致谢 (26)
第1章绪论
1.1研究目的及意义
本课题是针对动态无功补偿器控制技术的研究。

通过相关技术对现有的无功补偿技术的研究与分析，完成对动态无功补偿器控制系统的软件设计。

据博思数据发布的2016-2022年中国无功补偿系统市场分析与投资前景研究报告表明，2020年功率半导体全球市场规模有望达231亿美元。

2014年-2020年，平均增长率为6.4%。

到2020年，市场规模有望是2014年的1.5倍。

2020年以来，工业和汽车方面的需求将带动市场发展，到2025年，功率半导体全球市场规模达339亿1000万美元，2020 年-2025年间，年平均增长率将达到8.0%。

工业领域，新能源、UPS、铁路方面的功率半导体需求增加。

日本、美国的光伏发电需求旺盛，风力发电欧洲的需求较大。

此外，工业用机器人、半导体生产设备等业务发展形势较好，Servo电动机用IPM增加。

铁路方面，除中国市场以外，东南亚、印度、南美方面的投资较多。

虽然目前已经在电网中使用一些无功补偿装备，但多数是使用固定电容投切的方法，显然无法满足如今用户的实际需求。

为了更好地满足用户需求以及稳定电网的运行，就需要对电网中所需求的无功功率进行时实检测，及时调节，即需要对目前无功补偿的方法、补偿装置等加以改进，建立完整地检测和调节系统[5]。

随后，出现了静止无功补偿技术，静止无功补偿装置在最早期的时候是基于饱和电抗器设计的。

随着电力电子等相关技术的发展，晶闸管在无功补偿范畴中的使用达到了巅峰，并占据了静止无功补偿装置的半壁江山。

随着此类技术的进一步发展，出现了静止无功发生器这一装置。

1.2相关技术国内外研究的现状
随着近现代科技的发展，无功补偿是无功功率补偿的简称，半导体器件的运用越来越广泛，需求也就越大，但是它带了许多的负面影响，比如电网过压，供电质量降低等等后果。

而无功补偿装置即可以改善电路环境，又能减少补偿损耗，何乐而不为。

虽然无功补偿装置的成本相对来说比较大，但只要技术在不断的改进与改善，收益一定会越来越大。

早期的无功补偿装置的代表有同步调相机等。

同步调相机作为无功的电源使用的时候，它的转轴上并不附带负载，发出无功功率，从而能够调节无功功率的输出，且十分平滑。

但由于维修比较复杂，响应的速度也不够及时等原因，如今已经渐渐淘汰[2]。

静止无功补偿器是现在应用最为全面的无功补偿装置，近年来众多的学者与
科学家也针对其做了许多技术方面的改进与思考，静止无功补偿器有许多种类，例如晶闸管控制点抗性，晶闸管控制点容器型和各种混合类型。

由于TSC和TCR 的拓扑结构过于单纯，所以他的功能并不如复合型的无功补偿器优秀，复合型的无功补偿器到目前为止被研究的力度更大，也更加被重视。

这一类装置的优点在于他们可以控制晶闸管的导通与连接，同时通过对晶闸管的控制来平衡控制装置发出跟吸收的无功功率，再次基础上如果可以加上控制算法的研究，使得能够根据外部变化来自动调节无功功率的补偿量，就可以达到无功动态补偿的目的。

静止同步补偿器的出现使得无功补偿领域出现了技术性的跨越，因为它的原件是用电抗器等控制系统构成，它的基本电路的结构为电压型桥式电路或是电流。

静止同步补偿器的优点有系统稳定性好，阻抗特性强，且无功功率特性强，最重要的一点是，精致同步补偿器的体积面积相比其他补偿器具有较大的明显的优势。

STATCOM 也是一种大众的流行的的无功补偿装置。

概而言之，随着控制科学技术的发展，无功补偿的相关技术与装置也在一步一步的朝前迈进，方法的进步，代价就是成本的提升，但总体的发展是一个好的现象，也是社会科学发展的必然结果。

如今，无功补偿技术的广泛运用，电网安全性的不断提高，也为人们的生活增添了很多便利，給人们的工作提供了一份安全。

1.3本文主要研究内容
本文研究的课题是动态无功补偿器控制技术的研究。

本文完成的内容主要包括：动态无功补偿器的拓扑结构、总体方案设计、动态无功补偿装置控制系统软件设计。

本文各个章节提出的内容分别如下：
（1）绪论。

本章的主要要点有两个，包括无功功率补偿理论方面和无功补偿技术方面。

本章还介绍无功补偿技术的发展和国内外的相关研究现状。

（2）动态无功补偿器的拓扑结构。

本章节提出多种动态无功补偿器的拓扑结构，将其进行分析与对比，最终确定最合适、最高效的动态无功补偿器的拓扑结构。

（3）总体方案的设计。

其中包括对于此次动态无功补偿器的设计的要求，设计了其控制系统方案以及主电路、操作回路电路等。

（4）动态无功补偿装置的控制系统软件设计。

本章进行动态无功补偿装置的控制系统软件设计，其中主要包括PLC程序设计和显示设备监控程序设计这两部分。

通过PLC程序进行调节，然后通过显示设备将参数和各类数据直观地体现出来。

（5）全文总结。

对整篇论文进行总结，指出软件设计中存在的不足以及在设计过程中遇到的难点，以及发表对于此次毕业设计过程中的感受与自身体会等。

第2章动态无功补偿器的拓扑结构
本章节提出多种动态无功补偿器的拓扑结构，将其进行分析与对比，最终确定动态无功补偿器的拓扑结构。

2.1晶闸管投切电容器（TSC）式动态无功补偿器拓扑结构
晶闸管投切电容器是由晶闸管投切然后并联电容器作为主体部分的电路设计思路。

这个方案为了保证容抗实现阶梯式的变化，将控制晶闸管阀门全部连通或者全部关断，以此来完成目的。

TSC的拓扑结构图如图2-1 所示。

图2-1 TSC拓扑结构
TSC是由晶闸管串联电容器而构成，晶闸管反向并联组成一个开关阀门。

这个方法是对于传统的旧结构的改良，可以做到频繁的投切，这也是其一大特点，且在进行操作时过压等负面现象并不会产生，包括谐波也基本不会出现。

但虽然优点可以被人啧啧称赞，但它对负载的补偿只能是阶梯式的，而且它在响应速度这一方面做的并不好，在某些有较大负载谐波的场合运行并不合理等缺点也无法让人满意。

2.2晶闸管控制电抗器+机械式投切电容（TCR+MSC）式无功补偿装置拓扑结构
晶闸管控制电抗器与机械式投切电容式补偿装置，其拓扑结构如图2-2
SCR
C
图2-2 TCR+MSC拓扑结构
图2-2中，TCR作为晶闸管控制的一个电抗器支路，它的作用是可以让电抗连续地变化。

TCR电流波形如图2-3所示
断路器
C
MSC
u
电抗器
SCR
TCR
图2-3 TCR 电流波形 在不同的电压相位触发晶闸管，这个时候，晶闸管导通，原因是接受了正向的电压，由电流波形以及电路原理图可以看出，不同的触发时刻，电流大小是不同的。

触发晶闸管的触发时刻可以用触发角α来表示。

α不同就可得到不同的电流 i ，从而是电抗器的电抗值改变。

如果晶闸管触发角α为九十度即在电源电压峰值的时候准确导通，那么晶闸管会全部导通，晶闸管发生短路时的电流数值上就会与回路的电流I 相同。

当α为九十度到一百八十度，此时晶闸管的导通情况为部分导通，此时可以使用公式2-1来表达I 的值：
()12-+sin 2=L
I U X πααπ 由上面的公式可以看出，随着α的变化，无功功率的大小也会产生改变。

所以在基下电抗器与晶闸管组合而成的系统就化为一个可变型电抗器，从而很明显的触发角跟电纳B 之间的关系也能够由公式直接推导出来，具体结果如下：
()()2-+sin 2=-L L B X απααπ 2.3动态无功补偿装置的拓扑结构 上面的两种拓扑结构都有自己的不足之处，而为了改进这两种方案，我们采用可变电抗器替代图2-2中的晶闸管控制电抗器来设计动态无功补偿装置，其拓扑结构如图2-4所示。

270°
部分导通 90° u
i 全导通 （2-1） （2-2）
图2-4动态无功补偿装置的拓扑结构
可变电抗器在无功补偿装置的开发中，最显著的优点在于将其传统的装置中的电抗器替换成了可变电抗器，而可变电抗器与电容器组并联一次侧，二次侧则与晶闸管串联构成一个小型的功率置换装置[4]。

晶闸管触发角控制着电流，其中包括电抗器二次侧的电流一级晶闸管触发角一次侧的电流，改变其中之一则可以影响另一个，从而改变电抗值。

公式2-3表明了二次侧电纳与触发角的关系：
()
()
2
2
2-+sin2
=-
L
L
B
X
α
παα
π
触发角α与电纳的关系可表示为：
()
12
2
2-+sin2
1
=-
n
L
L
B
X
παα
π
晶闸管控制电抗器与机械式投切电容组合形式的无功补偿装置具有其单一并不具备的优点，且实现了控制电路电压来控制电路电抗值，从而提升了系统的稳定性，实现更加高效的无功功率的动态补偿。

2.4本章小结
本章提出了动态无功补偿装置的设计要求，在动态无功补偿装置总体方案设计中，将对比改进传统无功补偿装置拓扑结构，最终确定动态无功补偿装置的拓扑结构。

可变电抗器
SCR
接触器
电容器
（2-3）
（2-4）
第3章动态无功补偿器总体方案设计
本章首先提出动态无功补偿装置的设计要求，然后根据动态无功补偿装置的设计要求以及上一章提到的动态无功补偿装置的拓扑结构完成动态无功补偿装置的总体方案设计。

从而根据拓扑结构来设计主电路和操作回路电路。

3.1动态无功补偿装置的设计要求
（1）如何判断与使用合适的电容器组，首要依据为用户实际情况的负载，将功率因数调节至零点九二至零点九八的范围内（不同情况设定不同的范围值）。

当用户的负载发生变化时，根据实时监测的数据来做出行动，控制系统无功补偿装置发出所需要的无功功率，对电网武功两进行补偿。

（2）能够对电网的各种参数进行实时的显示与不断地检测，拥有友好的人机界面，能够通过显示类设备及时将信息反馈给操作人员。

（3）能够对电网系统的各种故障，常见或不常见类型的分类进行监控并可以在适当情况下发出警报，提醒相关人员，并同时对系统做出响应保护，使得重要的器件可以得到有效的保存。

（4）能够较为方便的安装与使用，具有一点的广泛性，用俗语来说就是装置需要接地气。

同时装置既需要拥有足够的实用性，也需要能够被普通的企业所接纳。

3.2主电路及操作回路电路设计
3.2.1动态无功补偿装置主电路设计
为了设计出能满足要求的主电路，出发基点在于动态无功补偿装置的拓扑结构，而动态无功补偿器的主电路一次侧电路如图3-1所示。

由此可以了解，可变电抗与电容器之间用并联的方式接入，控制接触器控制着他们的输入，可变电抗器的输入有KMO控制，对应的，由KM1控制电容C1，KM2控制C2，KM3控制C3，它们分别控制着三个通过空气开关的电容器的输入。

这也是为了在进行实地研究的时候可以实时控制电容器的输入，同时也可以保护电容器，避免过压。

L代表的三相电源的接入是通过断路器QO1，同时断路器也承担着中开关的任务，无功功率补偿装置电源的频率与相电压分别是五十赫兹与三百八十伏特，为了进行无功补偿的时候能够方便而又直接，还有一个通过三路空气开关QO2和一个通过两路的空气开关QO3分别连接电源来控制回路整体的电源。

图3-1主电路一次侧电路
图3-2为无功补偿装置的主电路二次测电路图。

想要保护晶闸管只需要通过变换压敏电阻的电阻值就可以达到，当电压处于晶闸管两端而居高不下时，为了限制加载在晶闸管上的电压值，压敏电阻形成的保护装置可以起到吸收过亚的作用，从而起到保护的效果。

其次，在每一项中串入熔断器2RF1-3可以在电流过大时保护晶闸管免受烧毁的危险。

C C ’
Q1
KM0 L1 L2 L3 B B ’
A
A ’
C3
C2
KM1-3
C1 SS 一次绕组
PA1
1TA
Q5 Q6 Q4 RF1 RF2 RF3 HL1 HL2 A Q2
Q3
图3-2主电路二次侧电路
3.2.2动态无功补偿装置操作回路电路设计
操作回路主要由按钮、接触器、指示灯等组成，操作回路电路连接图如图3-3所示。

其中SB1的作用是开车按钮，在无操作时这个按钮的触电为分离的状态，当按下SB1时，继电器加入工作，与SB1形成回路，从而达到开车的条件，完成开车动作。

与此同时开车指示灯的状态为点亮，停车指示灯的状态为不亮，显示此时装置为运行状态。

SB2的作用是停车按钮，在无操作时这个按钮的触点为闭合的状态，当按下SB2时，动态无功补偿装置不再工作，继电器与SB1的回路被解开，从而其他的继电器处于掉电状态，整个装置停止运行，显示此时装置为停止状态。

a b c
A
B
C
SS 二次绕组 2TA 2RF1-3
U6 U3 R2
C02
V6
V3 RV2
U2
U5k
R3
C03
V2
V5 RV3
U4
k U1 R1
C01
V4
V1 RV1 PA2 A
图3-3操作回路电气连接图
6J0 HL4
L01
N
621 629
L01 6L1
L03 103
开车/停车
停车指示灯
开车指示灯
电抗器投入
第一组电容投入
第二组电容投入
第三组电容投入
KM1
KM2
KM3
6J2
6J3
6J4
103
106
108
110
6J0 6J0
L03 101
103 201 6J0
SB1
SB2
KM0
312 318 202
HL5
621 628
621 630
621 631
6J1
3.3本章小结
本章主要完成了动态无功补偿装置的主电路设计、操作回路设计，并提出了动态无功补偿的控制系统方案。

按照设计要求，对动态无功补偿装置的拓扑结构进行了分析论证：提出了动态无功补偿装置的设计要求，动态无功补偿装置需要满足动态无功补偿的基本要求，同时其需要具有良好的人机交互界面、安全可靠的保护报警装置。

此外其需要能具有推广性，能够被普通企业用户接受。

控制系统方案设计包括系统结构的设计以及控制方案设计，确定了以PLC 为控制器的控制系统，确定了以无功缺量和功率因数作为控制物理量。

第4章动态无功补偿装置的控制系统软件设计本章在之前的基础上，完成动态无功补偿装置的控制系统软件设计，本章的主要内容有PLC程序的设计和触摸屏监控程序的设计。

4.1 动态无功补偿装置PLC程序设计
PLC的软件语言有着自身独特的编程方式，跟控制器芯片的语言并不一样，而PLC控制部分的程序编写一般来说是采用梯形图。

构建PLC程序结构图是本节的首要任务，然后完成PLC主程序和子程序的设计以此组合设计出一个完整的PLC程序。

4.1.1 PLC程序结构图
S7-200 PLC用户程序的组成如图4-1所示，程序主要分为逻辑块部分与数据块部分。

数据块的部分储存着数据资料，逻辑块则是组成用户程序的主要核心以及内容，多个网络块组合从而形成逻辑块，多个指令形成网络，最终形成金字塔式的PLC用户程序。

图4-1 PLC用户程序组成框图
逻辑块是存储在磁盘或者磁带上的一种数据块，该数据块具有一个用以检索或重写的地址。

而主程序、子程序、中断程序等都是S7-200可使用的逻辑块[6]。

网络的引入是在S7系列的PLC中出现的，网络的编号也可以自动生成。

PLC这样的金字塔式的模块化程序的设计思路是将动态无功补偿的各个方面过程分割成独立的部分，同时逻辑块分别在程序中相互发挥作用，达到完成这
PLC用户程序
逻辑
逻辑逻辑
网络网络网络
网络
指令指令指令指令
···
个系统程序的目的。

PLC程序结构图图4-2所示。

图4-2 动态无功补偿系统PLC程序结构图
在这个PLC程序中，逻辑块有九个，主程序是整个程序的核心，它贯穿着整个程序。

初始化程序可以将系统中的数据初始化为原始值，使得系统在开始运行时候，数据可以重新使用；数据采集程序是将散落控制系统之外的数据处理成可识别、可直接使用的数据，也就是将“别家人变为自家人”；数据处理程序顾名思义可以知道，它的作用是处理分析动态无功补偿系统中的各类数据；显示程序是将数据采集程序采集到的原始程序经过数据处理程序处理显示出来，并将系统参数与数据经过处理之后显示于触摸屏上，让人们可以直观的感受到程序的变化；无功分析程序的主要作用是计算电网中的无功缺量，通过计算可以得出需要补偿的容量的大小；电容投切程序主要的功能是控制着电容器的投切；而电抗器调节程序的功能较为重要，它的作用是在负载功率发生变化时可以相应地调节电抗器的阻抗值，从而可以达到调整无功补偿功率的结果；故障与报警程序可以及时监测系统并随时检测系统中的故障与损耗，并在危险情况下发出警报信号，让人们可以及时的处理。

这样整个程序完成了从采集、分析、处理数据到输出控制量最后到显示系统状态等一系列过程。

而在这整个系统之中，主程序起着核心与关键的作用。

每次扫描中都会先扫描主程序，它的存在可以使得调用子程序更加方便直接。

主程序
OB1
动态无功补偿系统
初始化
SBR1
数据采
集SBR2
数据处
理SBR3
显示
SR4
故障与报
警SBR8
电抗器调
节SBR7
电容投切
SBR6
无功分析
SBR5
4.1.2 PLC主程序设计
PLC的工作方式是循环扫描，系统的中央处理器按照输入、执行、输出三个不同的阶段不断地扫描与执行，循环不断。

主程序作为整个系统的核心，会被重复的扫描执行，而这每一次的扫描，其中的标准是不变的，于是从之后的子程序里会不断淘汰不合格的数据，只有符合所有子程序的数据才会被保留下来。

在输入了一个周期之后，筛选出来了的数据就会输出。

需要重新开始一个扫描周期时，系统将会首先进行初始化动作，将系统中的数据设置为初始值，输出量设置为标准值。

为了保证控制系统的准确性，在初始化程序中也设有一个定时器，它可以让之后的数据采集处理分析等动作可以得到充分的时间，更加准确。

在数据被数据采集子程序SBR2采集之后，中央处理器将会开始进行扫描，如果合乎数据处理的条件，则会接着扫描数据处理SBR3子程序以及之后的程序；如果不能够满足数据处理的条件，那么数据处理子程序在这一阶段将不会被扫描。

同时在完成扫描动作之后，每次都会扫描一次显示部分与故障和警报的程序，以确保整个系统在正常的工作。

之后程序会通过计算无功缺量来确定相应的电容投切量和调节电抗。

计算了所有需要的数据之后，程序可以判定是否还需要电容的投切或者其他方面的调节，从而完善整个系统的控制。

每当系统进入一个扫描周期，上述的各个动作又会对不同的数据执行，不断循环。

4.1.3 PLC子程序设计
上一节已经分析了子程序的各个功能，它们都不可或缺，而我们根据主程序中涉及的各个子程序来完成这一节的PLC子程序的设计。

PLC 子程序包括初始化程序、数据采集程序、数据处理程序、显示程序、无功缺量分析程序、电容投切程序、电抗器调节子程序、故障与报警子程序，他们都有着不同的功能，各自独立而最后又统一行动[2]。

（1）初始化SBR1
初始化程序的设计目标是将系统恢复成为最开始的运行状态，使系统能够正常的顺利的运行，初始化程序不仅仅在系统程序运行的开头运行，而且也得在例如系统发生了错误或者故障时也能及时运行。

初始化子程序的运行条件在图4-3中可以体现。